轴锥镜选型案例解析

前言
轴锥镜的核心是圆锥折射：常见的单轴锥镜由一个圆锥面和一个平面组成，双轴锥镜则是两个圆锥面对称拼接，关键参数包括锥角（通常在 0.1°~10° 之间）、口径（几毫米到几十毫米）和材料（BK7 玻璃、石英、蓝宝石等，适配不同波长激光）。它的工作原理并不复杂：当高斯光束垂直入射到圆锥面时，光线会被按锥角规律折射，形成沿光轴方向传播的 “无衍射贝塞尔光束”—— 这种光束的核心特点是，在一定距离内（无衍射区），光斑中心亮斑的大小和强度几乎不随传播距离变化，哪怕遇到轻微遮挡，也能快速恢复原有形状。

图1. 轴锥镜最大衍射距离示意图

如图1所示，最大衍射距离Zmax =w0/(n-1)γ, w0为入射光束的半径，n为折射率，γ为轴锥镜的物理角度。
为什么同样是的轴锥镜，A 厂加工的能出 50mm 无衍射光束，B 厂的却刚过 30mm 就散斑？为什么采购时参数表写得一模一样，收到的样品却连光斑中心都带暗点？轴锥镜的锥角公差、面型精度、材料选择，这些看似不起眼的参数，却藏着 “差之毫厘，谬以千里” 的光学玄机。当光学工程师小李抱着“做50 mm无衍射贝塞尔光束”大的需求，站在加工车间的图纸前挠头的时候。有一个人声音告诉他，“Hey man, you should try VirtualLab Fusion & VirtualLab Unity, it is so powerful!”
想象一下：有这样一款软件，它的场追迹功能如此强大，让轴锥镜的加工和选购从 “凭经验、靠运气” 变成 “靠数据、有预判”。它不用你反复打磨样品、来回寄送测试，只需在软件里复刻真实光学场景，就能提前锁定最优参数、筛选靠谱供应商，既节省了时间成本，更避免了无效投入 —— 这正是光学工具赋能行业的核心：让复杂的选择变简单，让反复的试错变一次到位。这一期我将向大家展示如何利用VirtualLab Fusion加速你的镜片选型。
打开浏览器，搜索“axicon”。轴锥镜的类型有很多，有镀膜的、针对紫外的，其它的参数包括通径、通径公差、边缘厚度、角度公差等，这些参数会影响镜头的实际效果，我们可以根据这些参数对仿真模型进行深度优化。为了简单起见，我们直接采用某供货商官方提供的镜头模型。我们看到在某器件供货商的官网上提供了不同角度的轴锥镜，点击红色图标可以下载对应的模型文件。

图2. 某供货商官网提供的Axicon镜头文件

这里我们选择的是一款未镀膜的1°轴锥镜，材料为C79-80。如图3所示在File中选择Import>Import xx File，将我们下载的镜头文件导入到VirtualLab Fusion中，这里默认采用平面波，波长是550nm

图3. 导入外部的镜头文件生成光路图

如图4所示，在VirtualLab Fusion中用Aspherical Surface模拟轴锥面，此外，在软件内置的表面文件中有几个轴锥镜表面的定义。也可以使用软件内置的Axicon表面。

图4. 编辑轴锥镜的表面，最右侧为软件内置的不同角度轴锥面

最新发布的VirtualLab Unity套装支持导入文件进行镜头仿真设计，将镜头文件导入到VirtualLab Unity之后，可以启动光线追迹引擎，实现光线追迹及点列图的绘制。

图5. VirtualLab Unity光线追迹和点列图

为了查看场追迹的结果，在VirtualLab Fusion中选择Profile: General场追迹引擎，把像面的位置分别设置为100mm和200mm。在图6中可以看到在100mm的位置平面波变成了贝塞尔光束，而在200mm的位置近似得到了一个环形光束。在上方的Manipulation中我们可以选择Forward FFT，得到其频谱分布，可以看到此时对应的是一个环形谱，这个环形半径对应的就是横向波数的大小。

图6. 轴锥镜场追迹结果（距离分布为100 mm， 200 mm处以及对应光场的频谱分布）
从图7可以看到，场追迹让我们在选择采购镜片之前可以验证得到的光斑形态，从而降低试错成本，这不正是光学仿真的意义吗？有了 VirtualLab Fusion这款“神器”，小李再也不用头秃了。这已经替他把 “试错成本” 省了一半 —— 不用对着轴锥镜的锥角公差 “猜 0.1° 还是 0.2° 合适”，他先点开软件拖入 “轴锥镜元件库”，输入目标锥角 1°、石英材料、20mm 口径，鼠标一点 “仿真”，屏幕上立刻跳出贝塞尔光束的无衍射区长度、边缘衍射杂光分布；再故意把锥角往大拉 0.1°，光斑瞬间从 “笔直的亮线” 散成边缘模糊的光晕 —— 这下他拍着加工师傅的肩膀说：“锥角公差卡到 ±0.05°，不然光束‘撑不到’50mm。”
到了采购环节，三家供应商发来的轴锥镜参数表堆在桌角，小李没急着下单样品，而是把每家的面型粗糙度、锥顶圆度数据挨个输进 VirtualLab Fusion和VirtualLab Unity：A 家的锥顶圆度 0.5μm，仿真里贝塞尔光斑中心多了个暗点；B 家的面型精度差 0.2λ，无衍射距离直接缩了 10mm；只有 C 家的参数跑出来的光斑，和他在软件里 “画的饼” 一模一样 —— 他直接把仿真对比图甩给采购：“就选 C，省得寄样品测一周。”
从加工车间的 “锥角公差该松该紧”，到采购间的 “哪家参数真能用”，VirtualLab Fusion 和VirtualLab Unity像个 “光学预判官”：不用抱着实物跑实验室，不用等加工完才发现光束 “歪了”，把轴锥镜的锥角、材料、面型误差都揉进仿真里，加工师傅知道 “卡到哪步不返工”，采购知道 “哪家参数没掺水”，连最终装到系统里的贝塞尔光束，都和仿真里的光斑几乎没差。
从高校实验室的 “理论验证” 到工程现场的 “落地应用”，几何追迹与场追迹的核心价值，早已超越 “分析光斑” 本身。它让科研人员不必再为 “理论与实验脱节” 发愁，通过光线传播的精准复刻，快速锁定光斑缺陷的几何成因；让工程师无需再靠 “试错打磨” 摸索，借助场分布的细致拆解，提前规避杂光、衍射等隐形问题。这两种追迹方法，本质是为光学研究与工程实践搭建了 “从预判到验证” 的桥梁，让每一次光斑分析都有数据支撑，每一次设计优化都有明确方向 —— 最终让科研创新更高效、工程落地更稳妥，这正是光学模拟赋能行业的深层逻辑：以精准洞察，驱动无限可能。

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